物理学研究进展-巨磁电阻篇

1、最大只有2%3%。1988年，法国巴黎大学的巴西学者baibich等首次报道了fe/crant应和热仍在探索中,膜gmr效应较为成熟。该模型中铁磁金属自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的,而且远远点之一ogmr效应原理gmr效应理论复杂则不同类型材料的作廿前以二流体模利定性解释 的电流南自旋向上的电了物理学研究进展巨磁电阻众所周知，许多物质在外磁场作用下都可观察到磁致电阻效应，但一般材料超晶格的磁屯阻变化率达到50%,比通常的磁屯阻效应人一个数 超过多层膜屮fe层磁电阻变化的总和，这一现象被称为巨佩magnetoresistance,简记为gmr）。由于其在计算机 及磁记录方而的重大应用价值，引起

2、了广泛的关注，使彳好对 和开发研究几乎是齐头并进的，成为当而凝聚态物理研究和別摸相邻磁层的磁矩反铁磁耦合时，自传导电子受的散射小，电阻率旋向上、向下的传导电子在传输过程中分别受周期性的强、弱散射而表现为高阻 态；相邻磁层在外加磁场作用下趋于爭行时，口旋向上的传导电了受较弱的散射 而构成低阻通道，自旋向下的传导电子则受强散射形成高阻通道，因两通道并联, 故多层膜衣现为低阻状态。巨磁电阻材料为了满足应用的要求，对gmr材料的主要要求是：高的室温gmr效应，即 由外加磁场引起的室温电阻变化率高；低的工作磁场，即在较低的外加磁场强度 下得到高的mr；高的稳定性，即环境条件（温度、湿度、振动等）变化时，

3、mr的 变化要尽量小。就目前研究热点的几类gmr材料，可以说是各冇特点。目丽，已发现具有gmr效应的材料主耍有多层膜、门旋阀、颗粒膜、磁性 隧道结和氧化物超巨磁电阻薄膜等5人类。（1）磁性金属多层膜铁磁层（fe, ni, co及其合金）和非磁层（包括3d, 4d以及5d非磁金属）交替重 叠构成的金属磁性多层膜常具有巨磁电阻效应，其屮每层膜的厚度均在纳米量 级。目前最常用的制备金属多层膜的方法主要由溅射、蒸发和分子束外延。试验 结果表明，具冇反铁磁耦合的磁性多层膜结构屮，各层磁矩反向平行时电阻最大, 平行时电阻最小。且gmr随多层膜周期数增加而增大，当总膜庁与平均门由程 相当时，gmr趋于饱和。

4、多层膜是最早和最广泛被研究的对象，遗憾是在多层膜系统中，较大的磁电 阻变化往往伴随着较强的层间交换耦合作用，只有在强磁场的作用下才能改变磁 矩的相对取向。而月电阻的变化灵敏度仅为0.3%oe,这显然不能满足上馬化的 技术要求。（2）自旋阀口前，实用多层膜是所谓的自旋阀，典型的自旋阀结构主要由铁磁层（自由i i、.*jr层）/隔离层（非磁性层）/铁磁层（钉扎层）/反铁磁层4层臨成。/通常磁性多层膜屮由¥£在较强的层间交换耦容，因此磁电阻的灵敏度罪常 小。但当两磁层被非磁层隔开示，使相邻的铁磁层不存在（或很小）交换耦合，因 此在较小的磁场下就町使相令昜命务排列到反平行排列或从反

5、向平行排列到 平行排列，从而引起磁电阻的憂化，这就是所谓自旋阀结构。i般自旋阀结构屮 被咦代倉的，展b 肇大，磁矩不易反转；另一层是软磁层, 其矫顽力小，在较小的磁场作用下，就可以自由反转磁矩，使电阻冇较大的变化。口旋阀大小取决于两铁磁层磁矩（口旋）相对取向，故称口旋阀。口旋阀听表现 出的高灵敏度特性，使它成为在应用上首先得到青睐的一类巨磁电阻材料。自旋阀具有如下优点：磁电阻变化率对外磁场的响应呈线性关系，频率特征好；低饱和场，工作磁场小；与各向异性磁电阻相比，电阻随磁场变化迅速，因1何操作磁通小，灵敏度高；利用层间转动磁化过程能冇效地抑制barkhausen噪声,信噪比高。因此，它率先进入实

6、用化阶段；但它较小的gmr效应又显得美中不 足。廿前自旋阀面临的最大问题是抗腐蚀和热稳定问题，解决的途径是使反铁磁 层具有高电阻、耐腐蚀h热稳定性好。（3）金属颗粒膜所谓金属颗粒膜，是指铁磁性金属（如co, fe等）以颗粒的形式分散地镶嵌于 非互熔的非磁性金属（如ag, cu等）的母体屮。其巨磁电阻效应普遍认为是来源于 口由传导电子在颗粒与母体之间的界面上及磁性颗粒内部的口旋相关散射，与多层膜结构的巨磁电阻效应的起源极为相似。外磁场的作用是改变磁性颗粒磁化强度的方向，从而改变了口旋相关散射的强度。颗粒膜中的巨阻效应目前以饱和磁场通常高于多层膜。这是由于颗粒膜结构的朶场降在很人（4）磁性隧道结爲

7、荤化物势垒（如ai2o3）的口旋极化隧穿过以下两铁磁层的矫顽力不同（或其中一铁磁层被钉扎）时，它们的磁比，颗粒膜co-他体系最高，在液氮温度口j达55%,室温口j达20%。与多层的优点是制备方使，一致性、重复性高，成木低，热稳定性好。去克服颗粒的各向异性能,才能实现电阻率的较大变化。故!效应，但由于饱和磁场高，使其应用范围受:降低磁饱和场，提高磁场灵敏度。的潜力。通过两个铁磁金屈月龛0, ni或feni卅究的方向是效应。这种非均匀磁系统，即铁磁金屈/绝缘体/铁磁金属j)o 1995年 mijunction,可达化常称为磁隧道结（magnetic tunnel发现fe/ al2o3/fe隧道结室

8、温巨磁电阻效应化呈现出平行反平行状态。tmr效应的定性解释是：在隧道结中，磁场克服两铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转到磁场方向而趋 于一致0时隧道电阻为最小值；如将磁场减少至负，矫顽力小的铁磁层的磁化 方向首先反转，两铁磁层的磁场方向相反，隧道电阻为极大值。由于磁性隧道结 中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合，因而只需一个很小的外场即可使其 屮一个铁磁层反转方向，实现隧道电阻的巨大变化，故隧道结较z金屈多层膜具 有高的磁场灵墩度。由于对磁性隧道结多层膜体系，在垂直丁膜面即横跨绝缘体 材料层的屯压作用下，电子可以隧穿极薄的绝缘层，保持其自旋方向不变，故称 为隧道巨磁电阻效应。由于tmr的饱

9、和磁场非常低，磁电阻灵敏度高，同吋磁 隧道结这种结构本身电阻率很高，能耗小，性能稳定，所以tmr被认为有很大的应用价值。超巨磁电阻1993年，helmolt等人在labaimno満膜屮发现cmr效应，已成为近几年 凝聚态物理最活跃的领域之一。目前己发现的具有cmr效应的材料有掺杂稀土 猛氧化物，铠系猛氧化合物以及钻基硫族尖品右。由于它们具冇很高的磁电阻,故称z为超巨磁电阻。如jin等报道外延la-ca-mn-o薄膜，77k温度卜'cmr为127000%, 280k温度下为400%。不同于gmr的是不仅在薄膜材料屮也发现了cmr效应，其磁电阻比值可以高达10 00机理至今仍不十分清楚。巨

10、磁电阻应用利用gmr和tmr效应最成功的产乩(mram)o極场，扩大了场强度ii其特点是磁灵敏龙上的应用前景较为看好。可疔泛的转编码器中。1§器，由于gmrmr第硬盘(hd磁11在体材料o c器易使器件小型化，廉价化等特点，使电阻传感器的测量范围。利用自、位移、大电流等场合。积小、可靠性好，在机电行业于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋gmr效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。随着纳 米2為的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化，要求测量系统也微型化。21世纪超导量子相干器件和超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子 学的主要角石。吾屮以gmr效应为基础设计的

11、超微磁场传感器，要求能探测10一午 至i(ft磁通密如此低的磁通密度在过去是没有办法测量的，特别是在超微 系统测量如此弱的磁通密度是十分困难的，纳米结构的巨磁电阻器件经过定标可 能完成上述口标。石墨烯2004年曼彻斯特大学a.k.geim等运用机械剥落法(撕胶带法)剥离石墨晶 片成功制备了单层的2d石墨烯(graphene),因其独特结构和优良的电学、光 学、热学和机械性能吸引了难以计数的物理学家、化学家和材料学家的目光，轰 轰烈烈地开启了石墨烯时代。零维(0d)富勒烯(c60, c70)、一维(1d)碳纳米管、三维(3d)金刚石和石墨从0d到3dod-full a eneld-cnts2d-

12、graphene3d-graphite是碳的重要同素异形体(图1),而2d石墨烯的制备，则完整 的碳材料体系。图1碳系材料石墨烯是由单层sp2杂化碳原了排列形成的蜂窝状六角平面晶体，既可以堆 积成为3d石墨，也可以卷曲成为1d碳纳米管（cnts）,甚至可以包裹成0d富 勒烯（图2）。单层石墨烯的厚度仅为0.35 nm, c-c键长为0.142 nm,这样独特的稳定结构使石墨烯异常坚硕（强度是钢的100多倍，达到130gpa）、导热性能 优良（热导率是金刚石的三倍，达到5 000wm-lk-l）.零带隙、电子/空穴迁移率高（理论上达到200 000 cm2v-ls-l,高于目前已知半导体的迁移率

13、，见表1）。 屯子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外來原子而发生散射。出于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞石墨烯屮电/受到的干扰也非常小。在室温下石墨烯还表现出整数和分数量子霍尔效应和室溫翅瀝lx图2石墨烯石墨烯制备方法目而石墨烯的合成方法主要有：机械剥落法、碳化硅表面外延生长、取向附生法、化学气相沉积法、化学分散法及化学合成法。表1石墨烯和一些半导体的迁移率和带隙比较semiconductormobility(cm2/v s)band gap (ev)diamond4 500 (electrons)5.503 800 (holes)室温刀石學烯的载流了迁移率是普通硅片

14、的i 倍，受温度和掺杂效应的影响 很小，表加电室温亚微米尺学的弹道传输特性。这是石墨烯作为纳米电子器件最 突出的优势。它使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大 的费米速谨和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间。超高频率的操作响 应特性是华烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯的电子迁移率和空穴 迁移率两渝乎相等，因此其n型场效应晶体管和p型场效应晶体管是对称的。 因为其还具有或萊带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干 长度也可为微米x,所以它是一种性能非常优异的半导体材料。有关专家指出， 硅基芯片在室温条件卜的速度是有极限的，只能达到现在这个地步，很难再

15、大幅 度提高；而屯子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少，且石墨烯木身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量，因此由石墨烯制造的集成电路运行的速度将要快得多。据估计，用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可 达到1t(1o12 ) hz,比现在常见的1 g(109) hz的计算机快1 000倍。最近利用电子束光刻与干刻蚀的方法将同一片石墨烯加工成量子点、引线和 栅极，获得了室温下可以操作的石墨烯基单电子场效应管，解决了口前单电子场 效应由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的操作温度受限问题。cao等人合成了 首个cds-graphene量子点。利用瞬态荧光光谱测试该掺朵物的电荷传输速度，

16、结 果显示，电了从激发态的cds 到石墨烯网格的传输时间仅为皮秒级，表现出很好 的光电性能。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯基超导场效应总寥现在电荷密 度为零的情况下，石墨烯还是可以传输一定的电流，可魯低能豊卑间快的 纳米尺度超导电子器件带来突破。石墨烯具有良好的半导体性孚/它们底场效应 品体管屮表现出很好的电子和空穴传输性能。用右墨烯制备的场效应晶体管在室 温卜开关比可达107。与碳纳米管相比，驴烯独特的矗中平面结构，可以 使各种掺杂物很好地分散在石墨烯平血卜.，有效提冏屯荷的传输咄基于石墨 烯的电子器件几乎包含了整个电路所需的所凝奏，包括导电通道、量子点、电 极、势垒、分子开关等，避免&am

17、p;一维材料基器件中难以实现的集成问题。超导超导体，顾名思义，是一种直流电阻为零的材料，它是近年来的一个科技前 沿。不仅仅是因为达到超导状态的条件很苛刻，而冃目前解释超导现彖的理论也 不是十分清晰完善。超导的发展历史的研究获得了诺贝尔物理学奖。£个里程碑 转变点处磁卡默林昂内斯于1911年在莱顿大淫首次观察到汞的超导特性，当他把汞冷 却到液态氨（4k）的温度时，汞的电阻突然消失了。生1913生现因在超导方面式的发现：如果超导休在磁场中北冷却到转变温度（感线将从超导体内被排出，这就是著名的迈斯纳效应。1933年，在解释超导现象上，德国的迈斯纳和奥森菲尔德提出.在接下来的几十年，其它的超

18、导金影仓金和化合物相继被发现。1941年,氮化锐被发现在16k时就表现出超导特性。0953年，发现矶硅化合物在17.5k吋 有超导特性。1962年，westinghouse公司的科学家首次生产出了铠钛合金的商用 超导线。、尸1 icooper> schriefferjs,他们也因此获得了第一个被广泛接受的超导j理矗，j t 957年由bardeen、出，即后来著名的bcs理论（以他们每个人的首字应命名）绝缘体进191972養的诺贝尔奖bcs理论解释了单质和简单合金在接近绝对零度时的超导现 象,4是bcs理论难以解释w更高的溫度以及不同的超导体系屮超导是如何产牛,剑桥大学的研究生josep

19、hson预测电流可以从一个超导体穿过一层 一超导体，不久他的预言被证实，这使得他分享了 1973年的诺贝尔物理学奖。这个隧道贯穿现象即今天著名的约瑟夫森效应（josephson effect）。 如今约瑟夫森效脸已经被应用于squid电子器件屮，用来探测极弱的磁场。19世纪80年代是超导科研成果辈出的时期。1964年斯坦福大学的bill little预言了冇机超导体的存在，1980年哥本哈根大学的丹麦研究员klaus bechgaard 以及3个法国合作成员首次成功合成了有机超导体，（tmtsf）2pf6被冷却到1.2k 的转变温度以及在高压下表现出了超导特性。1986年，超导领域取得了真正的

20、突 破性的发现，ibm研究实验室的研究员alex muller和georg bednorz合成的陶瓷化合物(钢、倾、铜和氧的化合物)在30k时就表现出了超导特性，更貝意义的是 陶瓷是绝缘体，他们第二年就因此而获得了诺贝尔奖。muller和bednorz的发现掀起了半导体领域的一个研究热潮，世界各地的研 究员开始各种各样的陶瓷化合物以求得到更高的tco 1987年1月阿拉巴马大学汉 茨维尔分校的一个研究团队用铠取代muller和bednorz化合物中的做j (即今天的ybco),达到了惊人的92k转变温度，第一次超过了液氮的温度。1997年，研究人员发现金和锢的合金在接近绝对零度时同时表现出超导特性和磁性，传统的观点认为这样的物质是不存在的。从那以后许多这样的化合物都被发现。近年来不包含铜的高温超导体以及